论文总字数：51736字

摘 要

斜拉桥是大跨径桥梁结构中一种很有竞争力的桥型，当今世界上普通混凝土斜拉桥的跨径多在500m以下，更大跨径的斜拉桥大都采用钢梁或者钢-混凝土混合梁。而超高性能混凝土（Ultra-high performance concrete，UHPC）的问世为混凝土斜拉桥超大跨径的实现提供了可能。本次毕业设计的主要内容是设计一座采用UHPC主梁的主跨1088m的双塔双索面斜拉桥，运用midas Civil软件分别进行成桥阶段和施工阶段的计算分析，并与采用钢主梁的斜拉桥方案进行对比，研究其结构应用的可行性。本文的主要研究工作有：

（1）介绍了斜拉桥的发展概况，阐述国内外对UHPC的研究现状以及UHPC在桥梁工程中的应用现状。

（2）以苏通大桥设计方案为参考依据，试设计了一座同等跨径的采用UHPC主梁的斜拉桥结构体系。明确了总体布置和细部构造，重点设计了UHPC主梁截面。

（3）根据所设计的桥梁结构参数，运用有限元软件midas Civil建立全桥模型，分别进行了成桥阶段和施工阶段的分析计算。

（4）对钢主梁斜拉桥模型和UHPC主梁斜拉桥模型进行了比较分析，主要比较了汽车荷载、温度荷载、恒荷载、静风荷载各种荷载组合下的内力、应力、变形等各项静力性能。

（5）分析所设计桥梁的动力特性。提取结构的自振周期及振型特征，分析其各阶振型具有的特性。

关键词：混凝土斜拉桥；千米级跨径；UHPC主梁；静力性能

Abstract

Cable-stayed bridge is a kind of competitive bridge type for the long-span bridge. The span of the existing concrete cable-stayed bridges is mostly less than 500m while the cable-stayed bridges with longer span use steel girder or steel-concrete composite girder. The advent of ultra-high performance concrete (UHPC) makes it possible that the super-long span concrete cable-stayed bridges will come true. The main content of this graduation thesis project is the design for a cable-stayed bridge with UHPC girder. The central span of the bridge with two pylons and double cable planes is 1088 m. Then Midas Civil software was used in both construction and service stage calculation, and compared the results with cable-stayed brige with the steel girder to study the application feasibility of the structure. This paper involves the work as follows:

(1) Introduced the general development situation of the cable-stayed bridge, the research status of UHPC both at home and abroad and its application in bridge engineering.

(2) Tried to design a UHPC cable-stayed bridge structure system with the equivalent span of Sutong Bridge by use of the Sutong Bridge as a reference. Defined the overall structure and the detail structure, mainly designed the cross section of the UHPC girder.

(3) Based on the design structural parameters, the whole bridge model was established by using the finite element software Midas Civil to proceed both construction and service stage calculation.

(4) Analyzed the static performance such as internal force, stress and deformation under the vehicle load, temperature load, constant load, static wind load and various load combinations between the two bridge models.

(5) Analyzed the dynamic performance of the designed bridge. Extracted the natural vibration period and characteristic of the vibration mode and described the properties of every vibration mode.

Keywords: Concrete cable-stayed bridge; Thousand-meter span; UHPC girder; Static performance

目录

摘要 I

Abstract II

目录 III

第1章 绪论 6

1.1 研究背景和意义 6

1.2 斜拉桥概况 6

1.2.1 斜拉桥主要发展历史 6

1.2.2 超大跨径斜拉桥建设现状 7

1.3 UHPC的研究现状 8

1.3.1 UHPC材料性能 8

1.3.2 UHPC在桥梁工程中的应用 9

第2章 设计任务 10

2.1 设计背景 10

2.2 技术标准及主要技术指标 10

2.2.1 技术标准 10

2.2.2 设计规范 10

2.3 设计参数 10

2.3.1 主要材料 10

2.3.2 荷载标准 11

2.4 苏通大桥设计方案 11

2.4.1 主体结构 11

2.4.2 材料参数 12

第3章 桥梁总体布置及细部构造 13

3.1 总体设计 13

3.2 主梁设计 13

3.2.1 截面形式选择 13

3.2.2 截面尺寸拟定 13

3.2.3 主梁梁段划分 15

3.3 索塔设计 15

3.4 斜拉索设计 16

3.5 辅助墩设计 16

第4章 有限元建模 17

4.1 计算参数 17

4.1.1 材料参数 17

4.1.2 作用标准及参数 17

4.1.3 荷载组合 21

4.2 有限元模型 22

4.2.1 单元选用 22

4.2.2 边界条件 22

4.2.3 模型建立 22

第5章 成桥阶段内力计算分析 24

5.1 确定合理成桥索力 24

5.1.1 成桥索力确定方法 24

5.1.2 成桥索力求解 25

5.2 模型正确性的初步校验 26

5.3 主梁内力分析 26

5.4 索塔内力分析 29

5.5 斜拉索索力分析 30

5.6 结构变形分析 32

5.7 本章小结 32

第6章 施工阶段内力计算分析 34

6.1 确定合理施工状态的方法 34

6.1.1 正装法 34

6.1.2 倒拆法 34

6.1.3 正装—倒拆迭代法 34

6.1.4 无应力状态控制法 35

6.2 施工阶段划分 35

6.3 施工阶段索力确定 38

6.3.1 施工阶段索力求解 38

6.3.2 斜拉索类型确定 39

6.4 施工阶段分析 40

6.4.1 主梁内力分析 40

6.4.2 索塔内力分析 42

6.4.3 斜拉索索力分析 44

6.4.4 临时墩施工过程分析 45

6.5 本章小结 45

第7章 结构验算 46

7.1 主梁验算 46

7.1.1 主梁尺寸验算 46

7.1.2 主梁强度验算 47

7.2 索塔验算 49

7.2.1 使用阶段强度验算 49

7.2.2 施工阶段强度验算 50

7.3 斜拉索验算 51

7.3.1 使用阶段强度验算 51

7.3.2 施工阶段强度验算 51

7.4 本章小结 52

第8章 动力特性分析 53

8.1 斜拉桥动力特性的特点 53

8.2 动力特性计算结果 53

第9章 结构方案对比分析 57

9.1 钢主梁斜拉桥建模 57

9.2 合理成桥索力 57

9.3 恒荷载作用效应比较分析 58

9.3.1 结构内力和应力 58

9.3.2 主塔变形 61

9.4 移动荷载作用效应分析 61

9.5 承载能力极限状态内力分析 63

9.6 材料用量和经济性 65

9.6.1 斜拉索 65

9.6.2 主梁材料 65

9.7 本章小结 66

参考文献 67

致谢 68

绪论

研究背景和意义

斜拉桥的主梁材料一般有钢和混凝土两种。混凝土主梁具有造价低、抗风稳定性好、耐久性好、后期养护工作相对简单便宜等优势，但因普通混凝土的比强度（抗拉强度与表观密度的比值）较低，当斜拉桥的跨径超过500m时，混凝土主梁的造价节省难以抵消由于混凝土自重大而导致钢斜拉索和基础费用的额外增值，使得现有普通混凝土斜拉桥的跨径一般在500m以内，而更大跨径的斜拉桥大都采用钢梁或钢-混凝土混合梁。钢主梁的优点是自重轻、跨越能力大、施工速度快，但钢材易疲劳锈蚀导致后期养护工作量大以及抗风稳定性较差。因此，如何能够提高混凝土斜拉桥的跨越能力具有可研究的意义。超高性能混凝土（Ultra-high performance concrete, UHPC）的问世，为混凝土斜拉桥超大跨径的实现提供了可能。大跨桥梁结构未来的发展必然会依赖于高性能、高强度的材料。目前UHPC已具备了普通混凝土的施工性能，甚至可以实现自密实，已经具备工程应用的条件^[1]。因此，充分利用UHPC的材料性能、研究合理的千米级斜拉桥结构体系具有很大的意义。

超高性能混凝土是根据最大堆积密度理论和纤维增强材料技术发展形成的一种超高强度超高性能的高致密水泥基复合材料，其组成材料不同粒径颗粒以最佳比例形成最紧密堆积，同时掺加微细的钢纤维以提高其延性和韧性^[2]。与传统的普通混凝土相比，UHPC具有超高的力学性能和耐久性。UHPC的抗压强度可以达到150MPa以上，抗拉强度可以达到8-10MPa，同时也具有比较好的抗折性。UHPC经过适当配筋后，其力学性能接近钢结构，同时具有优良的耐腐蚀性、耐磨、抗爆性能等特点。因此基于UHPC特殊的材料性能，我们可以认为采用UHPC理论上可以实现混凝土斜拉桥的超大跨径。

斜拉桥概况

斜拉桥是由主梁、桥塔和斜拉索三种主要构件构成的高次超静定结构，主梁直接承受荷载，以偏心受压为主；斜拉索承受拉力并将主梁承受的荷载传递到桥塔上；桥塔承受拉索传递的荷载，主要受压。斜拉索的作用相当于在主梁跨内增加了若干的弹性支承，使主梁跨径显著减小，从而大大减小了梁内弯矩、使得梁体尺寸和梁体重量得以进一步减小，也使斜拉桥的跨越能力显著增大。通过调整斜拉索的索力，可以调整主梁的内力，使主梁的内力分布更加均匀合理，而且斜拉索索力的水平分力相当于对主梁施加了轴向的预加力，可以提高主梁的抗裂性能。

剩余内容已隐藏，请支付后下载全文，论文总字数：51736字